王 亭 林海峰 王 序 劉昌箭 卓為頂

(1.中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司 蘇州 215131； 2.江蘇省交通工程建設(shè)局 南京 210004；3.東南大學(xué)土木工程學(xué)院 南京 211189)

在大型橋梁的深水樁基礎(chǔ)施工中，常常需要采用雙壁鋼圍堰或鋼板樁圍堰作為水中臨時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)完成樁基承臺(tái)的混凝土澆筑。而實(shí)際圍堰方案的選擇，則需要考慮具體橋位的水文、地質(zhì)條件等多種因素。

雙壁鋼圍堰由2層圍堰壁板組成，層間通過(guò)支撐連接，圍堰內(nèi)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求再設(shè)置對(duì)撐。其剛度大、強(qiáng)度高，能夠在覆蓋層較厚，水流流速快等復(fù)雜地質(zhì)條件下使用。例如，港珠澳大橋[1]、蘇通大橋[2]、滬通大橋[3]等。

鋼板樁圍堰由鋼板樁和圍堰內(nèi)支撐構(gòu)成，它是一種通過(guò)兩兩之間互相扣鎖達(dá)到擋水效果的裝置。相對(duì)于雙壁鋼圍堰，鋼板樁圍堰施工速度快、占地空間小、設(shè)備要求低，經(jīng)濟(jì)效益更加顯著。例如，武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋[4]、楠溪江特大橋[5]、如皋港長(zhǎng)青沙二橋等。

本文結(jié)合五峰山芒稻河特大橋基礎(chǔ)形式及橋位特點(diǎn)，從工期、安全、經(jīng)濟(jì)的原則出發(fā)，對(duì)雙壁鋼圍堰和鋼板樁圍堰方案進(jìn)行設(shè)計(jì)比選。

1 雙壁鋼圍堰及鋼板樁圍堰特點(diǎn)對(duì)比

雙壁鋼圍堰壁板結(jié)構(gòu)由內(nèi)外層鋼板和其中的支撐組成，并通過(guò)豎向及橫向加勁肋提升整體剛度，壁板夾層間設(shè)置板艙，對(duì)板艙進(jìn)行注水和抽水以實(shí)現(xiàn)圍堰的下沉和糾偏。雙壁鋼圍堰具有較大的整體剛度，可以抵抗30 m以上的水頭差，適用于10～50 m的深水基礎(chǔ)。施工工藝通常包括：鋼圍堰制造、浮運(yùn)運(yùn)輸、河床吸泥、圍堰下沉接高、澆注封底混凝土、抽水等。雖然雙壁鋼圍堰施工工藝復(fù)雜，運(yùn)輸受航道影響較大，但雙壁鋼圍堰密水性好，只需做好封底措施，后期基本可以做到不滲漏。因此，在很多大型橋梁中通常采用雙壁鋼圍堰作為基礎(chǔ)施工方法。

鋼板樁是帶有鎖扣的一種型鋼，具有斷面形式可變、結(jié)構(gòu)輕巧、可重復(fù)使用、防腐性好等特點(diǎn)，是建造臨時(shí)圍擋的理想材料。鋼板樁圍堰由鋼板樁通過(guò)鎖扣連接，架以圍囹支撐形成鋼板樁圍堰，整體剛度比雙壁鋼圍堰小，主要適用于4～36 m的深水基礎(chǔ)。鋼板樁圍堰由于沒(méi)有刃腳，且自重小，因此，主要用于軟土地基淺覆蓋層[6-7]。其施工工藝簡(jiǎn)便，主要包括：振動(dòng)錘插打鋼板樁、圍囹支撐安裝、澆注封底混凝土、抽水等。相對(duì)于雙壁鋼圍堰，鋼板樁圍堰的圍囹支撐可以在現(xiàn)場(chǎng)采用型鋼制作，整體部件運(yùn)輸簡(jiǎn)便，同時(shí)起吊設(shè)備噸位要求小、構(gòu)件占用場(chǎng)地面積小、施工速度快，在軟土河床橋位基礎(chǔ)施工時(shí)具有很好的經(jīng)濟(jì)性。

雙壁鋼圍堰和鋼板樁圍堰的特點(diǎn)對(duì)比，見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，雙壁鋼圍堰適用于內(nèi)外水頭差大、復(fù)雜地質(zhì)的工況，且自身密水性較好，但施工周期長(zhǎng)、造價(jià)高；鋼板樁圍堰適用于水深較低和軟土地基的工況，同時(shí)密水性相對(duì)一般，但造價(jià)低、施工周期短。以上兩者均具備施工可行性，可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行鋼圍堰的選擇確定。

表1 雙壁鋼圍堰和鋼板樁圍堰特點(diǎn)對(duì)比表

2 應(yīng)用案例——芒稻河特大橋基礎(chǔ)工程

2.1 工程概況

五峰山過(guò)江通道南北公路接線工程位于揚(yáng)州市江都區(qū)，路線整體呈南北走向，路線全長(zhǎng)1.975 km。芒稻河特大橋上部結(jié)構(gòu)采用77 m+3×130 m+82 m預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)-連續(xù)梁組合體系，下部結(jié)構(gòu)主墩(33～36號(hào)墩)為深水基礎(chǔ)，承臺(tái)設(shè)置于河床底，采用實(shí)心墩。

項(xiàng)目區(qū)地貌為新三角洲與江心洲工程地質(zhì)區(qū)，成陸時(shí)代新，地面標(biāo)高一般在3～5 m左右。以34號(hào)墩柱圍堰范圍內(nèi)地質(zhì)情況為例，-10.599～-13.2 m為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，-13.2～-15.8 m為粉土，-15.8 m以下為粉砂。該地區(qū)年均降水量為1 062.4 mm，芒稻河流速較緩，平均流速1.3 m/s，峰值2 m/s，最大水深達(dá)18 m。橋址處距離芒稻河并入長(zhǎng)江口10 km，受長(zhǎng)江汛期的影響，7-9月為高水位時(shí)期，300年一遇洪水位為6.894 m。

2.2 芒稻河特大橋鋼圍堰方案比選

為了使芒稻河特大橋基礎(chǔ)施工順利進(jìn)行，保證工程質(zhì)量，提出了基于雙壁鋼圍堰和鋼管樁圍堰進(jìn)行圍擋的2種方法。

雙壁鋼圍堰方案采用矩形截面，圍堰平面尺寸為47 m×18 m、壁厚1.5 m，豎向分為4節(jié)，平面分為16塊，圍堰總高度：6.2 m(第一節(jié))+2×6 m(第二、三節(jié))+4.8 m(第四節(jié))=23 m，其中，圍堰頂標(biāo)高+5.0 m，圍堰底標(biāo)高-18.0 m，封底混凝土厚3 m，設(shè)計(jì)水位+4.0 m。雙壁鋼圍堰方案構(gòu)造圖見(jiàn)圖1。施工工藝為：雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)→后場(chǎng)分塊加工→現(xiàn)場(chǎng)底節(jié)拼裝→吊裝下放→上節(jié)拼裝接高→混凝土配重(或注水)下沉→圍堰內(nèi)吸泥清淤→澆筑封底混凝土→圍堰抽水→承臺(tái)施工。

圖1 雙壁鋼圍堰布置圖(單位：mm)

擬采用的鋼板樁圍堰方案平面尺寸為45.6 m×16.8 m，選用拉森IVw型鋼板樁，材質(zhì)SY295，單根長(zhǎng)34 m，共設(shè)置5層內(nèi)支撐。圍堰頂標(biāo)高為+5.0 m，圍堰底標(biāo)高-29.0 m，封底混凝土厚5.5 m，設(shè)計(jì)水位+4.0 m。鋼板樁圍堰方案構(gòu)造圖見(jiàn)圖2。

圖2 鋼板樁圍堰布置圖(單位：mm)

鋼板樁圍堰施工工藝如下：鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)→鋼板樁逐根插打至合龍→安裝內(nèi)支撐→圍堰內(nèi)吸泥清淤→澆筑封底混凝土→圍堰抽水→承臺(tái)施工。

根據(jù)類(lèi)似工程施工經(jīng)驗(yàn)，雙壁鋼圍堰綜合單價(jià)按1萬(wàn)元/t考慮，鋼板樁圍堰按0.6萬(wàn)元/t考慮。對(duì)2種方案的施工可行性、安全性、結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)、施工工期和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行計(jì)算與對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 方案比選匯總表

由表2可見(jiàn)，雙壁鋼圍堰及鋼板樁圍堰在技術(shù)上均可行，但雙壁鋼圍堰方案難以滿(mǎn)足項(xiàng)目施工工期要求，且造價(jià)高出約1 400萬(wàn)元。同時(shí)，項(xiàng)目橋址下游4.5 km處已建的夾江大橋通航高度僅6.8 m，采用雙壁鋼圍堰施工時(shí)，大型浮吊無(wú)法進(jìn)場(chǎng)，雙壁鋼圍堰不具備整體吊裝、下沉條件，只能采取豎向分段、橫向分塊的散拼法。橋址處部分主墩河床面大角度傾斜，雙壁鋼圍堰下沉定位和垂直度控制難度大，若出現(xiàn)下沉偏位，糾正難度極大。

因此，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，本項(xiàng)目深水基礎(chǔ)施工采用鋼板樁圍堰。

3 超長(zhǎng)鋼板樁圍堰用于深水基礎(chǔ)時(shí)的改進(jìn)措施

由于芒稻河最大水深達(dá)14 m，圍堰內(nèi)外水頭差19 m，使得所選用的鋼板樁的最大長(zhǎng)度達(dá)34 m。對(duì)于此類(lèi)型的超長(zhǎng)鋼板樁圍堰，往往承受著更大的水頭差和土壓力[8]，這會(huì)導(dǎo)致外側(cè)鋼板樁豎向抗彎承載能力不足，此效應(yīng)在順?biāo)飨虻匿摪鍢侗砻娓黠@[9]。而由于鋼板樁的豎向變形，使得圍囹支撐對(duì)撐在水平向，除去由于自重產(chǎn)生的下?lián)贤?，還會(huì)承受軸向力，為“彎壓組合”荷載，這對(duì)結(jié)構(gòu)的變形是極其不利的。

為解決以上2個(gè)問(wèn)題，可在迎水面采用H型鋼焊接在鋼板樁表面增大截面積，以增加鋼板樁抗彎剛度；對(duì)于圍囹?qū)蝿t可采用逐層焊接豎向鋼管的方式“變簡(jiǎn)支為連續(xù)”，達(dá)到減小跨中撓度的目標(biāo)，加固效果見(jiàn)圖3。除去此類(lèi)由于結(jié)構(gòu)抗彎剛度不足而導(dǎo)致的變形問(wèn)題外，超長(zhǎng)鋼板樁圍堰易在高水頭差的作用下產(chǎn)生漏水，同時(shí)隨著深度的增加，漏水現(xiàn)象越發(fā)顯著。為避免此問(wèn)題，通常會(huì)在打入鋼板樁前，在鎖扣位置涂抹黃油；在打入鋼板樁后，若發(fā)現(xiàn)漏水，會(huì)對(duì)漏水位置拋擲鋸木屑、粉煤灰、水泥漿等物體，通過(guò)水壓差吸附拋擲物進(jìn)行堵漏。但以上方法不能堵漏密實(shí)，此時(shí)可采取土工布或磁性橡膠條進(jìn)行堵漏，對(duì)于滲漏嚴(yán)重位置采取焊接角鋼堵漏，堵漏效果見(jiàn)圖4。

圖3 加固方式

圖4 堵漏方式

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于五峰山過(guò)江通道南北公路接線工程芒稻河特大橋?qū)呤┕し桨高M(jìn)行探討，并對(duì)超長(zhǎng)鋼板樁圍堰用于橋梁深水基礎(chǔ)進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論。

1) 雙壁鋼圍堰相適用于各類(lèi)土層和10～50 m的深水基礎(chǔ)，鋼板樁圍堰適用于軟土層和4～36 m的深水基礎(chǔ)。

2) 超長(zhǎng)鋼板樁圍堰可通過(guò)焊接型鋼增加豎向抗彎剛度，在圍囹支撐的水平層之間焊接鋼管“變簡(jiǎn)支為連續(xù)”降低水平支撐的跨中撓度，采用土工布、磁性膠條、焊接角鋼等方法進(jìn)行堵漏。

3) 通過(guò)方案比選，芒稻河特大橋采用鋼板樁圍堰方案進(jìn)行施工，相比雙壁鋼圍堰方案節(jié)約預(yù)算約1 400萬(wàn)元，工期提前72 d，經(jīng)濟(jì)效益顯著。可為以后的類(lèi)似橋梁建設(shè)提供參考。